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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik schwingungsresistender 1 Transistor Quarzoszillator


Autor: ajax (Gast)
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Hallo,

ich möchte einen Quarzoszillator mit einem Transistor bauen.
Ich habe eine Schaltung aus dem Tietze-Schenk simuliert ( Bauteilwerte
selbst dimensioniert, Modellwerte für 4Mhz Quartz aus Tietze).
Die ganze Schaltung findet sich im Anhang.

Das Ding will aber unter keinnen Umständen Schwingen. Hat jemand eine
Idee ? Oder gibt es bessere Schaltungen ?

ajax

Autor: Klaus (Gast)
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Schau' mal unter
http://www.jogis-roehrenbude.de/Sender/UKW-Pruefse...


Rechts der T3 und drumherum.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Die 10 k scheinen mir etwas hoch. Üblicherweise hat man im
Kollektorkreis einen Schwingkreis. Die 8 und 10p scheinen mir dagegen
bei 4 MHz etwas niedrig.
Hier wurde schon öfters Bernd Neubigs Quarzkochbuch empfohlen, da sind
viele Quarzoszillatorschaltungen beschrieben:
http://www.axtal.com/index-deutsch.html

Autor: SuperUser (Gast)
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Wie simulierst du die Schaltung denn? In der Praxis schwingt ein
Quarzoscillator durch Rauschen in den Bauteilen, die auch
Frequenzanteile in der Nähe der Resonanzfrequenz enthalten an. Sowas
geht im Simulator nicht.

Daher präge ich dem Quarz immer einen kurzen Spannungs-Puls (oder
Strom, je nach Schaltung) ein, damit er eine Anfangsenergie hat und den
Schwingkreis anregt. Eine solche Anregung sehe ich nicht in deiner
Schaltung....

Auf jeden Fall muss du dich auf lange Simulationszeiten einstellen...

Autor: Andreas Genghammer (ag1brg)
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Hallo
bitte korrigiert mich wenn ich falsch liege aber um einen Oszillator zu
erhalten müssen ALLE Schwingungsbedingungen erfüllt sein.

A) Phasenverschiebung über alles = 0° oder 360° oder ein vielfaches
davon
B) Verstärkung über alles = 1 (zum Anschwingen Evtl mehr)

Wie ich sehen hast du versucht einen stark vereinfachten Pierce
Oszillator zu bauen.
dieser Oszillator ist in den meisten Fällen in dieser Zusammenstellung
nicht zum Schwingen zu bringen da die Rückkopplung über PARASITÄRE
Effekte im und am Transistor entsteht. In der Simulation sowiso nicht
und in der praxis zu 80% auch nicht.

Ein Transistor in Emitterschaltung erzeugt zwischen Ein- und Ausgang
idealerweise eine Phasenverschiebung von 180°.
Ergo müsste dein Quarz eine Phasenverschiebung von ebenfalls 180°
machen, kann er aber nicht.

http://www.axtal.com/data/buch/Kap6.pdf
schau dir mal ab seite 11 an
spitzen Doku..

Es wäre zu empfehlen einen Colpits Oszillator zu bauen.
Wenn du bei der Pierceschalung bleiben willst solltest du dir die
"manuelle" Rückkopplung nicht sparen

Autor: ajax (Gast)
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Vielen Dank für die ausführlichen Antworten.

@SuperUser
>Wie simulierst du die Schaltung denn? In der Praxis schwingt ein
>Quarzoscillator durch Rauschen in den Bauteilen, die auch
>Frequenzanteile in der Nähe der Resonanzfrequenz enthalten an. Sowas
>geht im Simulator nicht.

Im Schaltbild habe ich die Spannungsversorgung als Sprungfunktion von 5
auf 6V ausgeführt. Ich habe gedacht, das würde ausreichen.

@Andreas
viellen Dank für den Link, sehr nützlich.

>Wie ich sehen hast du versucht einen stark vereinfachten Pierce
>Oszillator zu bauen.

Bis auf den Basisspannungsteiler ist es aber der Gleiche wie auf S.16.
Vielleicht liegt es an der Dimensionierung ?

Gruss,
ajax

Autor: Andreas Genghammer (ag1brg)
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Jope du hast recht das ist im Prinzip die gleiche Schaltung
Ich hab di schaltung leider verwechselt... kann theoretisch doch
schwinden... sry
Der Quarz sollte mit den beiden Kondensatoren C3 und C4 einen
Phasenschieber. Der muss so berechnet sein dass sich eine
Phasenverschiebung von 180° ergibt. Ist das nicht so kann diese
Schaltung Mangels richtigphasiger Rückkopplung nicht schwingen.

Trenne die Leitung vom Kollektor zum Quarz auf und speise da (zum Quarz
hin) ein Signal mit deiner Quarzfrequenz ein (<100mV)  miss die
Phasenverschiebung zum Signal am Kollektor und dreh dann deine
Kondensatorwerte so hin dass das 0° sind.

Was immer gute und reproduzierbare Ergebnisse geliefert hat ist eben
ein Colpits-Oszillator (siehe Seite 11).

Autor: ajax (Gast)
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Die Idee mit dem Auftrennen ist nicht schlecht.

Autor: ajax (Gast)
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Zum Test hab ich die Verstärkerstufe 2x aufgebaut, damit der
Ausgangswiderstand mit dem Eingangswiderstand am Rückkoppelungszweig
übereinstimmt.

Trotz einigem Herumspielen mit den Verstärkerparametern will das ganze
einfach nicht schwingen.

Die Verstärkung der Stufe scheint auch schon an Ihrer Grenze angelangt.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Also ich habe sehr gute Erfahrungen mit der kapazitiven
Dreipunktschaltung gemacht, die schwingt wie blöd und super stabil.


Peter

Autor: ajax (Gast)
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Hallo Peter,

da ich in P-Spice keinen BC550C hatte, habe ich einen BC547B
verwendet.
Ergebnis: schwingt  auch nicht.

Gibt es irgendwo das Modell für den BC550C?

Gruss,
ajax

Autor: alfsch (Gast)
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ajax, was willste denn?
a: oszillator
b: spice erforschen

Autor: Peter Dannegger (peda)
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@Ajax,

"Ergebnis: schwingt  auch nicht."

Du must sie physisch aufbauen, dann schwingt sie auch.


Bestätigt mal wieder mein Vorurteil, daß analoge Simulatoren ganz
großer Mist sind.

Ich bin Praktiker und habe schon öfters Schaltungen gesehen, die jemand
simuliert hat und die in der Praxis nie funktionieren können.
Und umgekehrt gehts eben auch.


Peter


P.S.:
Hier gibt es einige Threads, die ellenlang sind und alle wundern sich,
weil nirgends ein Fehler zu finden ist, bis dann endlich der
Fragesteller mit der Wahrheit rausrückt, daß ers nur simuliert, aber
nie getestet hat.
Der braucht natürlich hier nie wieder ne Frage stellen, wenn er die
Leute derart zum Narren hält.

Autor: Racecobra (Gast)
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Versuch beim der Simulation in Kondensator eine IC (Initial Condition)
einzustellen. Im den Bauteilparametern.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Auftrennen und Überprüfen der beiden Schwingbedingungen für Phase und
Amplitude ist der übliche Weg zur Kleinsignalsimulation von
Oszillatoren.
Die Amplitudenbegrenzung kann man nur mit Großsignalmodellen
simulieren.

Der Phasen-Nulldurchgang ist für die tatsächliche Schwingfrequenz
entscheidend, eine Gesamtverstärkung größer 1 ist über einen größeren
Frequenzbereich gegeben.

Autor: ajax (Gast)
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@alfsch
>ajax, was willste denn?
>a: oszillator
>b: spice erforschen

Tatächlich will ich beides. Ich bin der Meinung, dass nur wenn man die
Simulation zum Schwimgen bekommt, man die Schaltung richtig verstehen
kann.
Einen Simulator zu benutzen macht Sinn, wenn man die Einschränkungen
genau kennt. Und eben diese Grenzen möchte ich ausloten. Dann kenne ich
die Eigenschaften des Simulators und kann ihn in Zukunft für andere
Projekte benutzen. Ein Werkzeug entfalltet nur dann die vollen
Möglichkeiten, wenn der der es benutzt sehr viel Erfahrung damit hat. (
Man versuche mit einem Messer eine Holzfigur so gut zu schnitzen wie ein
Bildhauer )
Ich will die Schaltung aber auch real aufbauen.

Mitllerweile habe ich einen LC-Oszillator simuliert
(http://de.wikipedia.org/wiki/Moderne_Oszillatoren) simuliert.
Ergebnis: schwingt !
Es ist allerings ein kleiner Anregungsripple (0.001V) auf der
Versorgung notwendig, sonst bleibt die Schaltung statisch.
Aber leider ist es halt kein Quarz-Oszillator.

Was die Schaltung mit dem BC550C anbelangt: Ich habe im Datenblatt
nachgesehen, der hat ein Beta von 500, das liegt um einiges höher als
beim BC547B. Vielleicht ist das der Grund für das Nichtschwingen.

Frage: weiss jemand, wo man freie Bauteilbibliotheken für P-Spice
finden kann ?

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Das Beta ist in der Kollektorschaltung relativ uninteressant. Im
Original habe ich einen SC236c (DDR-Typ) verwendet.


Ein Quarz könnte beim Simulieren Schwierigkeiten machen, da es eine
sehr hohe Güte hat und demzufolge nur sehr wenig Energie aufnimmt.

Z.B. hab ich mal mit nem Oszi das Anschwingen beobachtet. Ein 10MHz
brauchte etwa 8ms um die volle Amplitude zu erreichen. D.h. Du müßtest
über eine Zeitdauer von 80000 Schwingungen simulieren.
Schwingschaltung war dabei ein 8051.


Peter

Autor: SuperUser (Gast)
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Hallo,

natürlich kann man Quarz-Oscillatoren simulieren. Hier mal die
Simulation von Peter's Oscillator.

Wichtig ist nur, den Quarz am Anfang einen ordentlichen Tritt zu
verpassen....

Grüße
  SU

Autor: alfsch (Gast)
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#ajax  im prinzip ja...auch ich denke, man sollte sein werkzeug kennen.
ne simu is ne feine sache. aber nicht real. dh, es gibt grenzen, da
geht nur erfahrung+oszi.
nicht dass spice falsch rechnet, nee, nur die verwendeten modelle
entsprechen nicht der (komplexeren) realität.
simu wird sinnlos (oder sehr komplex) zb bei mosfet, quartzen,
gasentladungs-lampen...

Autor: SuperUser (Gast)
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>nur die verwendeten modelle entsprechen nicht der (komplexeren)
realität.

Dessen muss man sich immer bewußt sein. Z.B. haben Quarze einige nette
nichtlineare Effekte (z.B. DLD Effekt) die im linearen Modell überhaupt
nicht berücksichtigt sind.

Um das Anschwingverhalten zu beurteilen braucht man daher Erfahrung.
Man kann z.B. die Modelle bewusst verschlechtert oder genügend
Overdrive einbaut und - solange diskret möglich - die Schaltung
aufbauen. Allerdings für eine Volumenproduktion muss man - genau wie am
Simulator - auch im Aufbau tricksen um die worst case Bedingungen
sicherzustellen.

Autor: Hauke Radtki (Gast)
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Also die Dreipunktschaltung bringe ich im Simulator ohne Probleme zum
Schwingen ... falls jemand die Simulation haben will soll er sich noch
mal melden, dann such ich sie noch mal raus.

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Also mit LTSpice (v2.16o) schwingt die Schaltung im Ausgangspost nach
kleinen Modifikationen einwandfrei an. Dauert so rund 2-3 ms und die
Frequenz liegt bei 4,09 MHz.
Änderungen:
R4 -> 4,7Meg
R6 -> 4,7k
R5 -> 1k

Nach rund 10ms legt der Oszillator auch ohne jede Anregung, wohl durch
Rundungsfehler los.

Autor: ajax (Gast)
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Hallo Stephan,
hier noch mal der Schaltplan mit den von Dir angegebenen Werten.

Autor: ajax (Gast)
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und hier die Simulationsfiles.

Leider ...
schwingt das Ganze bei mir nicht. Ich verwende das P-Spice von Mikrosim
Eval 8.0 welches in der CD im Tietze Schenk angehängt ist.

Wenn ich keinen Fehler gemacht habe, dann schein es hier doch wichtige
Unterschied bei den Simulatoren zu geben.

Autor: ajax (Gast)
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SuperUser:
ich habe mir Deinen Schaltplan mal angeschaut, dort befindet sich ein
BC847C anstatt ein BC547B. Der Transistor hat schon mal eine ca.
doppelt so große Stromverstärkung und leider habe ich den bei meiner
Evaluation-Version nicht zur Verfügung.

Ausserdem hast Du den Dämfpungswiderstand im Quartz reduziert und damit
die Güte des Quarzes im Vergleich zum Orginal um den Faktor 7 erhöht.
Ich habe leider keine Ahnung, ob sich die Gütefaktoren der Quarze in
diesen Bereichen bewegen.

Autor: SuperUser (Gast)
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Hallo ajax,

Hast du die Simulation mal ausprobiert? Der Verstärkungsfaktor des
Transistors sollte bei dieser Schaltung keine (grosse) Rolle spielen.

Dein Serial-Resistor von 100 Ohm ist für einen Quarz recht hoch. Ich
hatte einfach mal einen realistischen Wert eingetragen, allerdings
nicht probiert, ob das einen Einfluss hat. Aber der serial resistor ist
schon ein wichtiger Parameter - gerade fürs Anschwingen.

Wenn du die Schaltung vorliegen hast, kannst du das ja mal
ausprobieren. Das sind die genau die interessanten Sachen die man sich
bei solchen Simulationen anschauen kann.... (Ich habe das File jetzt
nicht hier und keine Lust das nochmal einzugeben...)

Grüße
  SU

Autor: ajax (Gast)
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Ja, ich habe die Schaltung simuliert, aber sie hat keine Schwingneigung
gezeigt. Da muss es also tatsächlich Unterschiede bei den Simulatoren
geben.

Autor: SuperUser (Gast)
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Also ich habe die Schaltung heute Mittag mit vielen verschiedenen
Transistoren und auch verschiedenen Widerstandswerten simuliert.
Schwingt fast immer (nicht bei 1k, und den 2N3055 bekomme ich auch
nicht zum schwingen...)

Die spice Parameter für viele Transistoren kann man sich bei z.B. NXP
oder Infineon runterladen. Im Anhang mal die Infineon library.

Grüße
  SU

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